基于逆向工程的工業(yè)工程實驗教學(xué)研究

潘 莉 李 繼 張旭剛 周 敏

（武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院 湖北·武漢 430081）

逆向工程技術(shù)是指對所選定的工業(yè)品進行逆向分析和研究，通過逆向分析和研究可以得出產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、結(jié)構(gòu)特征、功能特性以及生產(chǎn)流程等基本的生產(chǎn)設(shè)計要素，然后再制作出和目標工藝品功能與結(jié)果相似的新產(chǎn)品，其工藝技術(shù)主要包括3D掃描、3D打印、3D測量、雕銑等。工業(yè)工程覆蓋領(lǐng)域和適用行業(yè)面非常廣泛，幾乎涉及到任何工程技術(shù)領(lǐng)域。3D打印是現(xiàn)代工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本知識和技術(shù)。工業(yè)工程實驗室是培養(yǎng)應(yīng)用型工業(yè)工程人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將逆向工程技術(shù)融入工業(yè)工程實驗室系統(tǒng)的建設(shè)中尤為必要。

然而，目前逆向工程技術(shù)在工業(yè)工程專業(yè)中的實踐教學(xué)在國內(nèi)發(fā)展緩慢，一方面是在我國工業(yè)工程方面沒有重視逆向工程技術(shù)的實踐教學(xué)工作；另一方面由于逆向工程技術(shù)的實踐和教學(xué)需要投入大量的資金來搭建完善的實驗平臺，并且需要高新技術(shù)的設(shè)備來支撐，在實驗平臺的基礎(chǔ)設(shè)備以及技術(shù)支持不完善的情況下難以全面開展研究。

1 實驗體系儀器購置

我校工業(yè)工程實驗室經(jīng)過多年的發(fā)展，已初具規(guī)模，可初步完成主體課程實驗環(huán)節(jié)方面的教學(xué)工作，但在技術(shù)先進性、設(shè)計綜合型、研究創(chuàng)新型實驗方面還需進一步拓展。目前迫切需要開展面向先進制造的工業(yè)工程實驗教學(xué)研究，因此開展關(guān)于基于逆向工程的工業(yè)工程實驗教學(xué)研究具有重要意義。

我校工業(yè)工程專業(yè)自2002年成立以來，在人因工程、質(zhì)量控制等實驗室建設(shè)方面奠定了一定的基礎(chǔ)。實驗室已購置程序分析、操作分析、動作分析、質(zhì)量控制與分析等基本型實驗的設(shè)備及分析軟件，為逆向工程與現(xiàn)有工業(yè)工程實驗的結(jié)合創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)

2 基于逆向工程的3D打印實驗平臺構(gòu)建

基于逆向工程的工業(yè)工程實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，首先要構(gòu)建逆向工程實驗平臺，主要也就是搭建逆向工程硬件平臺，其中主要包括三維掃描設(shè)備、3D打印設(shè)備、3D測量設(shè)備、雕銑機等配套設(shè)備。目前，我校已建成基于逆向工程的3D打印實驗平臺，未來的發(fā)展方向是將逆向技術(shù)結(jié)合工業(yè)工程專業(yè)，開發(fā)包括人因工程、質(zhì)量控制、先進制造技術(shù)等具有工業(yè)工程專業(yè)特色的實驗平臺，將逆向工程技術(shù)融入傳統(tǒng)工業(yè)工程實驗系統(tǒng)中；開展逆向工程創(chuàng)新實驗項目，豐富與完善我校工業(yè)工程創(chuàng)新實驗內(nèi)容，打造一個開放創(chuàng)新的實驗平臺。

我校基于逆向工程的工業(yè)工程教學(xué)的在學(xué)院老師的研討過程中，提出了3D打印實驗平臺教學(xué)體系。圍繞3D打印實驗教學(xué)的實施步驟如下所示：

（1）本次實驗教學(xué)面向的學(xué)生是工業(yè)工程專業(yè)的大三學(xué)生，在實驗開始前由教師進行演示操作。教師在演示時手持三維掃描儀掃描現(xiàn)有工藝品，獲得其虛擬的三維模型，然后利用蠟?zāi)４蛴C打印模型。

（2）教師在演示的教學(xué)過程中講述三維掃描儀、蠟?zāi)４蛴C的基本原理，介紹相關(guān)參數(shù)與設(shè)備操作方法，學(xué)生能夠按照教學(xué)大綱要求操作設(shè)備，完成工藝品的復(fù)制。

（3）引導(dǎo)學(xué)生利用UG、Pro/e等建模軟件，或者利用三維掃描軟件掃描實物建立三維模型；通過Geomagic、Ployworks等軟件對三維模型進行數(shù)據(jù)處理，減少模型表面的噪點，提高表面質(zhì)量；接著運用MakerWare軟件將處理過的模型轉(zhuǎn)化為3D打印機可識別的打印格式，及設(shè)定打印參數(shù)。最后通過3D打印設(shè)備打印模型圖到符合要求的物體。

3 基于逆向工程的3D打印實驗實操

參加本次實驗的學(xué)生在老師講解完3D打印相關(guān)的理論知識和實際操作之后，對學(xué)生進行分小組分批次的進行操作練習(xí)，在學(xué)生掌握基本操作之后，給各個小組分發(fā)不同的工藝品，由小組成員自由討論分工合作，以某個小組的操作過程為例，其基于逆向工程的3D打印實驗過程流程簡圖如圖1所示。

圖1：操作流程圖

3.1 逆向工程獲取虛擬模型

通過此次實驗可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)操作自動化三維掃描儀的調(diào)試及使用方法，初步掌握空間曲面三維掃描的方法，同時讓學(xué)生具體了解點云數(shù)據(jù)處理流程，為逆向工程技術(shù)運用奠定基礎(chǔ)。

3.2 3D打印工藝品蠟?zāi)Ｖ谱?/h3>

3D打印工藝品蠟?zāi)Ｖ谱骷碨LS快速成原型實驗—蠟?zāi)Ｖ谱鳌LS成形工作原理如圖3所示，主要由激光器、振鏡系統(tǒng)、工作臺、加熱罩，供粉缸、工作缸、鋪粉棍構(gòu)成。成形時，先在工作缸中鋪一定厚度的粉末材料成為第一層的燒結(jié)原材料和起到支撐的作用，首先加熱粉末材料到一定的溫度，在將激光束調(diào)焦以及校正，并且在掃描出制件的截面輪廓信息后通過計算機對其實心部分進行燒結(jié)，燒結(jié)會使粉塵的溫度升至熔化點，到達熔化點之后在交界處粉塵顆粒會熔化和互相黏結(jié)，這樣就可以一步步的得到每層的輪廓，未燒結(jié)或燒結(jié)不充分的粉末依然呈松散狀，這可以作為下一成形面的支撐，并起到一定的散熱作用，一層成形完成后，工作缸粉在電機的作用下，粉末面下降一個截面層的高度，供粉缸粉同樣在電機的作用下上升一個截面層的高度。為了使工作缸的粉末有較好效果的鋪粉，也可以使得供粉缸上升略大于一個截面的高度，并在鋪粉滾的推動下，進行下一層面的鋪粉和鋪平，然后激光束再次進行掃描燒結(jié)，如此循環(huán)，最終形成我們所設(shè)計的三維工件，三維工件完成后，未熔化的粉末可以被刷除，作為下次燒結(jié)的原料。

3.3 成果展示

按照之前分的小組實驗，各組學(xué)生按照操作要求在老師的指導(dǎo)下完成蠟?zāi)Ｖ谱鞯膶嶒灒x取幾個小組最終得到的蠟?zāi)嶒灣善啡鐖D2(a)(b)。

圖2：學(xué)生制作蠟?zāi)３善穲D

4 總結(jié)

本次教學(xué)研究是基于逆向工程的工業(yè)工程實驗教學(xué)研究，本次實驗教學(xué)研究緊密圍繞著搭建3D打印實驗平臺而展開，在學(xué)院教師和學(xué)生的共同努力之下取得了顯著的成果，這為了后續(xù)逆向工程滲透到工業(yè)工程其他研究方向的教學(xué)研究打開了一定的思路。由于逆向工程在學(xué)院展開的3D打印實驗平臺教學(xué)已取得一定成果，后續(xù)學(xué)院實驗室已經(jīng)購置程序分析、操作分析、動作分析、質(zhì)量控制與分析等基本型實驗的設(shè)備及分析軟件，這一舉措為逆向工程與現(xiàn)有工業(yè)工程實驗的結(jié)合創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)。同時，我學(xué)院已有教授、博士生和研究生進行逆向工程的相關(guān)研究工作，為逆向工程實踐教學(xué)的開展打下了堅實的理論基礎(chǔ)。